Advanced Energy Materials:压电光电子学效应增强光(电)催化反应发展综述及未来展望

借助光催化或光电催化过程将太阳能转化为化学能(如氢能)是当前可持续能源开发和利用的研究热点。但目前光催化过程的太阳能转换效率与理想值仍然差距较大,特别是严重的电荷复合速率极大地抑制了其催化反应活性。为强化光生电子-空穴分离速率,采用压电效应在光催化剂中构建内电场已经成为一种经济有效的策略。通过集成压电、光催化和半导体特性,电荷诱导极化产生的内置电场可以有效调制电荷转移途径并加速半导体表面的光生电荷(电子-空穴对)的空间分离。同时,压电效应还可以使电催化作用发生在未被光照射的表面上,也为压电电催化过程开辟了新的发展方向。

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和天津大学邹吉军教授等在Advanced Energy Materials上发表了题为“Advances in Piezo-Phototronic Effect Enhanced Photocatalysis and Photoelectrocatalysis”的综述论文(DOI: 10.1002/aenm.202000214),总结了基于压电增强光(电)催化反应的研究进展、趋势和未来挑战。第一作者为天津大学潘伦副教授和孙尚聪博士生。

压电光电子学是王中林院士于2009年首次提出并开创的一个新学术领域,压电光电子学效应指的是利用压电电场在半导体中实现载流子的有效分离或结合的光电过程。该论文阐述和总结了压电光(电)催化的基本原理和发展现状,并展望了压电光催化研究的发展趋势和影响。主要内容包括:

1、重点介绍了压电内电场对金属/半导体、异质结(p-n结和Z型结)界面电荷分布及能带结构调控机制,揭示了压电光电效应对光催化增强作用的基本原理,并探讨了压电光电效应增强光催化过程的理论框架。

2、总结了在光(电)催化过程中引入压电内电场的方法,其中溶液扰动(搅拌)致使压电材料形变发挥作用最为经济有效。通过对不同类别的压电光催化剂(如ZnO、2D MoS2和BaTiO3-光催化剂等)进行比较和分类,概述了压电极化促进光(电)催化技术在水分解和污染物降解等方面的应用研究进展。另外,解析了复合型压电光催化剂(如KNbO3/MoS2)。

3、介绍了促进压电催化活性的评价和优化方法,并指出了在此研究领域的一些基本问题,如需要对影响压电光电系统的因素(如空间电荷区厚度、界面缺陷和异质结的接触电位)进行精确测定和比较。

4、对压电增强策略的发展前景进行了展望,强调了探索新材料对于压电增强光催化过程的重要性。特别是,具有强压电特性的单层2D材料的开发及应用,将提供重要的压电光催化新体系;目前压电光催化应用主要集中在水分解和有机物降解反应,而其在CO2还原、H2O2合成和固氮等方面的应用亟待开发;光催化和光电化学过程都是温度依赖的,在产生机械应变(特别是超声过程)时考虑温度梯度来提高热释电过程的详细设计也很有意义。此外,详细分辨压电-电催化和压电‐光催化在反应过程中的比重应该得到关注和研究。

总之,将压电内电场耦合进光催化或光电催化以提高其活性是一条经济有效的新途径。